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以上海機床為窗口探析我國機床行業(yè)發(fā)展路徑

發(fā)布時間:2023-12-05 | 來源:工信頭條 | 作者:
   過去10多年里,中國機床已經(jīng)在整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模和很多細分領域取得突破。數(shù)據(jù)顯示,2022年中國制造業(yè)增加值已經(jīng)突破了33.5萬億元,而機床行業(yè)直接撐起了超過10萬億元的產(chǎn)出。尤其在新能源汽車、消費電子、軌道交通、光伏、風能、造船等領域,大約有1/3的最終產(chǎn)出是由機床加工完成。

  中國機床已經(jīng)創(chuàng)造了很多“世界第一”——2009年實現(xiàn)機床產(chǎn)值世界第一(產(chǎn)值接近德國、日本的總和,且多年穩(wěn)居世界第一),2016年成為世界數(shù)控機床市場份額第一(占據(jù)全球數(shù)控機床1/4以上份額),包括世界最大模鍛液壓機、世界最大超重型數(shù)控臥式機床、世界最大數(shù)控龍門鏜銑床、世界最大高精度數(shù)控軋輥磨床、世界最大加工直徑螺旋槳加工機床、世界最大油壓機、世界最大立式車銑床、世界最大齒輪數(shù)控加工設備等都產(chǎn)生在我們國家。

  值得一提的是,2010年,由上海機床廠有限公司(以下簡稱“上海機床”)研制的世界最大的數(shù)控軋輥磨床,最大磨削直徑為2500mm,有效磨削工件長度為15m,最大磨削工件重量250噸,并配以具有自主知識產(chǎn)權的軟件系統(tǒng),標志著我國重載高精度數(shù)控機床躋身世界頂尖水平。

  磨床:加工精度之王

  機床要做的事情主要是“車鉗銑刨磨”,就是將原材料中不需要的部分一點點減掉,通過鉆孔、切削、彎折、打磨,得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的物理零部件,代表了傳統(tǒng)工業(yè)社會“減材制造”思維。長期以來,衡量機床好壞的主要標準還是經(jīng)驗指標——速度、精度和壽命。比如,我國機床產(chǎn)品的評定標準里有一個“平均無故障時間MTBF”概念,這是引進自日本的經(jīng)驗指標,在歐洲的機床行業(yè)沒有這一概念。

  如果要追求機床工具的加工精度,不僅取決于其機械結(jié)構(gòu)形式和精度,還要通過最基礎的電子元器件來實現(xiàn)。如,要實現(xiàn)高精度測繪,就繞不過“光柵”測量元件。時至今日,幾家德國和英國公司幾乎可以壟斷光柵技術的全球市場,真正高精度的光柵,有錢也買不到,外國公司一般只會出口基本測量水平的光柵器件。

  如果想在一臺機床上同時兼顧速度、精度兩個指標,也不容易實現(xiàn)。比如, 銑床屬于效率型機床,要求速度快;磨床屬于精度型機床,要求極端精確。對于追求效率的銑床來說,電主軸溫升通常能達到60~70攝氏度(高速運轉(zhuǎn)的設備都有摩擦生熱問題),這就很難兼顧精度了(因為材料會熱脹冷縮),所以對精度要求也不高,誤差在1%毫米左右就行。

  但對于追求精度的磨床來說,其要求的精度是0.1%毫米級別,要特別考慮熱剛性問題,主軸溫度絕不能超過20攝氏度,否則會出現(xiàn)熱傳導效應,微小的熱脹冷縮就會對精度產(chǎn)生很大影響。為此,磨床主軸電機的載荷一般只能使用一半功率,避免出現(xiàn)發(fā)熱問題。所以,我國對于精密型的磨床和效率型的銑床,都是層層技術分解,由不同企業(yè)分頭去攻關,因為二者的差異性比二者的相同點顯著得多。

  上海電氣下屬的機床業(yè)務主攻“加工精度之王”——磨床。我國絕大多數(shù)類型的磨床首臺產(chǎn)品都是由上海機床打造的。20世紀80年代,我國第一臺可磨2m直徑的Y70200大型齒輪磨床,第一臺可磨8m長、回轉(zhuǎn)直徑1250毫米的M82125大型曲軸磨床,填補國內(nèi)空白的可磨直徑800mm、圓度0.001mm的高精度萬能外圓磨床MG1480/H,國內(nèi)最小的納米精度微型數(shù)控磨床Elite,國內(nèi)最大的頂磨加工250噸工件的數(shù)控軋輥磨床MK84250,以及國內(nèi)首臺進入汽車主機廠發(fā)動機生產(chǎn)線的雙砂輪架隨動曲軸磨床MK8220/SD,都出自上海機床。

  以上這些僅僅是上海機床產(chǎn)品體系的冰山一角,如今上機公司已擁有10余種大類、400余種系列的產(chǎn)品,覆蓋外圓、平面、軋輥、曲軸、雙端面、花鍵軸、齒輪、螺紋、凸輪軸等各類通用、大型、精密、專用、數(shù)控等磨床品種。

  上海機床發(fā)展的前期已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)品面的寬度,近些年來則更強調(diào)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整,突出重點以提升整體實力。針對上海特殊的產(chǎn)業(yè)布局,優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)包括航天技術、飛機制造、汽車制造、船舶制造、港口機械和電子元件等,上海機床不再側(cè)重發(fā)展規(guī)模化產(chǎn)業(yè),而是對產(chǎn)品進行整體的梳理,以用戶為導向,重點關注汽車及配套加工、能源、鐵路裝備領域,做專、做精,突出大型高精、外圓磨床。

  上海電氣對未來的機床制造業(yè)有過一個基本判斷——產(chǎn)品做精+技術領先,即繼續(xù)穩(wěn)固市場占有率,進一步調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu),做專、做精、做高質(zhì)量產(chǎn)品,擴大在中高端市場的份額,選定細分市場進行深入挖掘;這里“技術領先”的含義更加廣泛,要兼顧產(chǎn)品可靠性、環(huán)境適應性、安全性、維修性、操控性、經(jīng)濟性,以及良好的用戶體驗等多個維度。

  人機融合實現(xiàn)諸多創(chuàng)新突破

  機床作為“工業(yè)母機”,是一切機器的來源。如果進行細分,還能進一步區(qū)分為“工業(yè)母機”和“工作母機”。各種加工中心、車床、銑床都可以歸于“工業(yè)母機”,這類機器并不都是我們的技術軟肋。“生產(chǎn)機床的機床”即“工作母機”,是更高精度的機床,需要實現(xiàn)匠人技藝與機器設備的有機融合(人機融合),往往更考驗高精度。如加工精度需要在微米級(千分之一毫米),而“工業(yè)母機”的加工精度只需達到百分之一毫米的精度。高精度機床自身的零部件往往就需要“工作母機”來制作。

  要提高加工精度,也不完全只靠設備,畢竟設備是死的,現(xiàn)在高端裝備制造業(yè)有很多高精度的加工還是靠人工來主導,往往是人工把精密的東西做出來以后,再把這個過程固化,變成設備的精度。國內(nèi)外都是如此,先技能,后設備,再技能,再設備,兩者形成一個螺旋上升的過程。而上海機床最大的財富其實就是一些技術精湛的老師傅,可以將人的技藝非常好地融入機器之中。

  比如,MK8220/SD機床是專門為上海通用汽車配備的設備,尾架頂尖使用的圓弧頂尖過去從瑞士進口,每個需要一萬多元。但上海機床的師傅通過自制圓弧測量工裝,在一定程度上改進了修正圓弧砂輪的方法,完工后的零件各項技術均達標,成功替代進口。

  還有,國家重點項目H402-AZ數(shù)控專用平面磨床砂輪架主軸的磨削加工,是上海機床有史以來加工技術要求最高的零件,其對精度要求極高。小到砂輪的選用、磨削參數(shù)的選擇,大到輔助工裝的自制,那里的師傅們都一絲不茍,保證了零件外圓及外錐體一次加工完成,其磨削操作法達到了非常高的水平。

  在技術、工藝沒有出現(xiàn)革命性突破的情況下,制造業(yè)的提升主要靠匠人的經(jīng)驗積累和長時間的專注。機床跟其他制造領域不同,其有很多傳統(tǒng)工藝一直在發(fā)揮作用。比如,手工刮研這道工序,哪怕在不少工業(yè)發(fā)達國家也會保留下來作為最后一道工序。機床行業(yè)的很多規(guī)律都是以10年作為周期閃現(xiàn)一次,外行人短時間很難悟透。尤其是機床行業(yè),基本上都是面向?qū)I(yè)市場,而越是往高端發(fā)展,客戶的專業(yè)化程度越高,市場細分也就越明顯。

  例如,2008年,上海機床參與某核心零件的制造,需要實現(xiàn)極高的精度,尤其是關鍵部位的外圓及錐度誤差、跳動要求、表面粗糙度3個數(shù)據(jù)中,不能有任何一個超出范圍,否則就前功盡棄。這個級別的加工精度,就相當于在一根頭發(fā)絲里造一幢摩天大樓,難度非常高。接下任務以后,上海機床的師傅們每天跑圖書館查資料,埋頭苦干,用心設計加工方案和工具,經(jīng)過近千次的試驗,才找到解決辦法。

  “工業(yè)母機”用于成形或切削金屬,以及其他剛性材料,為裝備制造業(yè)提供生產(chǎn)設備。而“工作母機”則助力機床工業(yè)實現(xiàn)“根技術”的突破,是匠人技藝與機器設備進行有機融合的關鍵節(jié)點。加上下游工業(yè)應用場景、商業(yè)回報的持續(xù)反哺,即工業(yè)母機+工作母機+下游應用,構(gòu)成了機床工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的三大引擎。

  下游應用支撐產(chǎn)業(yè)高端化發(fā)展

  大概20多年前,中國制造業(yè)的處境是,生產(chǎn)出口8億件襯衫換回來的利潤才夠買到一架波音飛機。時至今日,中國國產(chǎn)的C919大型客機已經(jīng)進入商業(yè)運營階段。這已經(jīng)是中國制造業(yè)從低端向高端轉(zhuǎn)型的經(jīng)典范例??墒?,為何中國的機床產(chǎn)業(yè)從低端向高端的轉(zhuǎn)型沒有其他行業(yè)那么順利?

  國內(nèi)普遍認為,中國的各種優(yōu)勢在機床這個品類上難以累積,是因為機床是客戶需求多樣且市場規(guī)模很有限的產(chǎn)品類別,這個觀點非常符合實際情況。2022年,在中國33.5萬億元的制造業(yè)增加值中,機床行業(yè)直接撐起了超過10萬億元的產(chǎn)出。但機床是制造業(yè)成功的結(jié)果,而不是原因,不可能指望做強機床產(chǎn)業(yè),來撐起強大的制造業(yè)。相反,要靠下游(制造業(yè))的諸多應用領域來反哺機床行業(yè)。

  舉個例子,20世紀80年代,計算機控制系統(tǒng)CNC開始在機床領域逐漸滲透,最早發(fā)明計算機控制系統(tǒng)的,是美國麻省理工學院,而第一代計算機控制機床系統(tǒng)也誕生于美國機床廠Bendix。為什么最后日本企業(yè)反而領先了?看看目前數(shù)控機床的下游應用領域,汽車行業(yè)占到40%,是機床行業(yè)的第一大應用,也是對機床要求最高的行業(yè),代表了機床行業(yè)的最高技術水準。另外,工程機械、航空航天、模具分別占到10%~20%不等的應用市場,也可以不同程度反哺機床行業(yè)。

  當年,日本汽車行業(yè)迅速崛起,追平甚至反超了美國、歐洲的汽車行業(yè),因為汽車行業(yè)的應用場景極其豐富且商業(yè)回報豐厚,對日本機床行業(yè)也是一次極大的反哺。哪怕是前幾年崛起的韓國機床,也明顯受益于汽車產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動。起初韓國機床是沒有什么名氣的,但韓國的汽車、船舶零部件制造商將生產(chǎn)基地轉(zhuǎn)到中國以后,所有的工藝和設備都照搬原廠,企業(yè)主也會選擇從韓國進口設備,所以韓國的機床產(chǎn)業(yè)也開始在中國有了很多布局機會。

  無疑,上海機床的發(fā)展紅利也明顯受益于下游應用領域的反哺作用。2016年,作為國家重大專項成果的“MK8220/SD雙砂輪架數(shù)控切點跟蹤曲軸磨床”已經(jīng)成功應用于上海通用汽車有限公司,進行汽車發(fā)動機的關鍵零部件——曲軸的加工。這款機床設備也是國內(nèi)首臺能夠進入汽車主機廠發(fā)動機生產(chǎn)線的數(shù)控磨床。

  據(jù)悉,汽車發(fā)動機加工生產(chǎn)線對機床的要求是高效、高精和高可靠性,而磨床又承擔著所有工業(yè)零部件加工的最后一個關鍵工序——磨削,承擔著保證加工的尺寸和形位精度的重大責任。因此,之前通用公司,乃至整個國內(nèi)汽車行業(yè)一直進口德國或英國造的磨床來承擔這一任務。

  “MK8220/SD雙砂輪架數(shù)控切點跟蹤曲軸磨床”研發(fā)期間,上海電氣與上汽通用汽車緊密聯(lián)系,在下游應用廠商的協(xié)同配合下,上海電氣深入研究汽車企業(yè)的企業(yè)標準、加工工藝等信息,交付后快速并線生產(chǎn),實現(xiàn)了與汽車生產(chǎn)線各環(huán)節(jié)的無縫銜接。設備上線不久,恰巧德國機床出現(xiàn)故障,上海電氣的磨床設備及時頂上,順利并線生產(chǎn),承擔并保質(zhì)保量完成大量任務,避免了交期滯后帶來的損失。從2016年4月交付用戶使用開始,這臺機床已經(jīng)在通用的發(fā)動機曲軸LGE生產(chǎn)線上使用了多年時間,各項性能都達到了他們的預期。

  除了在汽車制造這個最大應用領域不斷開拓,上海機床的產(chǎn)品線已經(jīng)覆蓋到國內(nèi)高端制造業(yè)的多個應用領域,尤其是航空航天、核電、軌道交通等極端制造領域,這是上海機床實現(xiàn)技術迭代和商業(yè)正反饋的基石。

  高端制造業(yè)的用戶有很大黏性,生產(chǎn)廠家?guī)缀醪豢赡芤驗閮r格更換設備。對他們來說,投資設備的錢都會作為固定成本攤銷到每一個產(chǎn)品上,只要訂單穩(wěn)定,設備投資攤銷占總成本比例是不大的。而設備不穩(wěn)定、不可靠,則會嚴重拖累生產(chǎn)線效率,制造商的損失就難以估計了。

  機床產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展

  上海機床可以依靠豐富的產(chǎn)品線,滿足多細分領域客戶的多樣化需求,但是這也特別考驗企業(yè)的研發(fā)實力。很長時間內(nèi),國產(chǎn)機床的競爭是膠著的,但激烈的競爭也是一種市場的選擇和調(diào)整,在研發(fā)創(chuàng)新、品質(zhì)服務方面扎根特別深的企業(yè),會更具競爭力。

  中國機床從傳統(tǒng)的機械控制時代向現(xiàn)代的數(shù)控系統(tǒng)時代發(fā)生轉(zhuǎn)變,還是近20年的事,要比歐美國家和日本晚一些。但國內(nèi)機床企業(yè)的研發(fā)邏輯和設計思維,不可避免地受到這些歷史因素的影響。機械控制時代的做法是以單軸為主,幾個單軸做線性疊加,很適合簡單運動的場景,而且精度、速度都很有限,對機床的動態(tài)特性要求也不高。數(shù)控系統(tǒng)時代則是一個“多軸同步插補”的時代,對刀具的行程要做出更加細致的運動分解,動態(tài)響應特性要求很高,否則就很難保證多軸的同步。

  以前,我們因為長期停留在機械控制時代,對動態(tài)特性理解不深。研發(fā)工程師們往往將機械部分、數(shù)控系統(tǒng)相互隔離,習慣先設計好機械部分,然后配上數(shù)控系統(tǒng),而數(shù)控系統(tǒng)對機床設計的影響未得到足夠重視,導致一臺機床作為一個系統(tǒng)的完整性受到很大損害。

  上海機床是國內(nèi)最早進入數(shù)控系統(tǒng)時代的機床企業(yè)之一,不僅在硬件上的自主研發(fā)已有很多突破,比如,多年來對靜壓主軸、靜壓電主軸、閉式靜壓導軌、高精度轉(zhuǎn)臺等高檔數(shù)控機床的核心功能部件進行深入研究,積累了一批精密加工、裝配、檢測等工藝技術,精密靜壓/動靜壓主軸系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)精度、閉式靜壓導軌重復定位精度均已達到百納米級,而且在系統(tǒng)和軟件層面也同步取得不少成就,比如,開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權的“磨削之星”機床軟件,運用優(yōu)化算法實現(xiàn)磨削工藝封裝、參數(shù)化編程、磨削過程可視化等功能,人機交互界面友好。

  


 

  上海機床深耕研發(fā),尤其聚焦磨削工藝。決定機床磨削性能的主要是動態(tài)特性,而提高動態(tài)特性需要積累豐富的工程數(shù)據(jù),每臺機床要有兩百多個測量點。上海機床很早就意識到建立起機床參數(shù)數(shù)據(jù)庫的重要性,并持續(xù)推動對剛性、頻率等關鍵參數(shù)按照嚴格的工程化標準來優(yōu)化。

  歸根到底,上海電氣及其下屬機床業(yè)務,在很大程度上是以精度和可靠性取勝,幫助客戶在各類細小、精密的零件生產(chǎn)加工中,最大限度提升空間利用率,確保生產(chǎn)流程穩(wěn)定。而機床行業(yè)所有的創(chuàng)新突破最終都會達到一個效果——把簡單帶給制造業(yè)客戶,把復雜留給機床設計者自己。

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